趙貴彬，封海洋，韓 猛，李金典

（1.內(nèi)蒙古大雁礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司 扎尼河露天礦，內(nèi)蒙古 呼倫貝爾 021122；2.中煤科工集團(tuán)沈陽(yáng)研究院有限公司，遼寧 撫順 113122；3.煤礦安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 撫順 113122）

排土是露天煤礦生產(chǎn)工藝的重要環(huán)節(jié)，內(nèi)排即將剝離物排棄至露天煤礦采場(chǎng)的采空區(qū)，相對(duì)于外排具有運(yùn)距短、占農(nóng)田草場(chǎng)少、利于環(huán)境保護(hù)、生產(chǎn)管理簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)[1-3]。但隨著內(nèi)排容量的增大，排棄高度的增高，隨之而來(lái)的是內(nèi)排土場(chǎng)邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)降低，邊坡失穩(wěn)的可能性增大，對(duì)露天煤礦安全生產(chǎn)及周邊設(shè)施的安全影響增大，直接威脅著露天煤礦的安全生產(chǎn)[4]，因此，露天煤礦內(nèi)排土場(chǎng)邊坡的穩(wěn)定不容忽視。為此，通過(guò)對(duì)扎尼河露天煤礦順傾軟巖基底內(nèi)排土場(chǎng)增高擴(kuò)容設(shè)計(jì)邊坡控制措施的研究，提出合理的內(nèi)排土場(chǎng)加固方法，并在內(nèi)排跟進(jìn)過(guò)程中可通過(guò)快速煤巖置換方式，對(duì)排土場(chǎng)下部原煤進(jìn)行開采，提高資源回收率[5]。

1 工程概況

研究區(qū)域?qū)儆谔焐?興蒙地槽系中的興安地槽東北段北帶邊緣的一部分，區(qū)內(nèi)地貌形態(tài)屬于侵蝕、堆積與低緩丘陵地形的過(guò)渡地帶。地勢(shì)總體是南高北低，海拔標(biāo)高在626～687 m，地貌屬?zèng)_積平原，地勢(shì)相對(duì)平緩，地表基本無(wú)建筑物、無(wú)河流等地表水體。該區(qū)域位于大雁煤田西區(qū)西部，向斜構(gòu)造，構(gòu)造形態(tài)為橢圓形盆地，受向斜構(gòu)造影響，采場(chǎng)邊幫多為順傾邊坡，易發(fā)生邊坡問(wèn)題，地層自下而上分別為泥盆系上統(tǒng)大民山組（D3d）、白堊系下統(tǒng)龍江組（K1l）、白堊系下統(tǒng)九峰山組（K1j）、白堊系下統(tǒng)甘河組（K1g）、白堊系下統(tǒng)大磨拐河組（K1d）、白堊系下統(tǒng)伊敏組（K1y）及第四系（Q），其中含煤地層為中生界白堊系下統(tǒng)伊敏組（K1ym）及大磨拐河組（K1d）地層。

9#煤層和10#煤層為該礦可采煤層，煤層頂板巖性為泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、細(xì)砂巖，煤層底板巖性為泥巖、碳質(zhì)泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、細(xì)砂巖。礦區(qū)地下水充沛且降雨較多，工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件較差，巖土物理力學(xué)指標(biāo)低，屬于軟巖邊坡。其中第四系黏土層、9#煤層及10#煤層頂?shù)装迥鄮r均存在潛在弱層。目前該礦正處于首采區(qū)向二采區(qū)轉(zhuǎn)向的過(guò)程中，自2021 年開始將面臨無(wú)外排土空間的局面，所有剝離物均需排棄至內(nèi)排土場(chǎng)，因此需要對(duì)內(nèi)排增高后邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行研究，并對(duì)不穩(wěn)定邊坡控制措施進(jìn)行研究，內(nèi)排土場(chǎng)地質(zhì)模型如圖1。

圖1 內(nèi)排土場(chǎng)工程地質(zhì)模型

2 內(nèi)排增高擴(kuò)容穩(wěn)定性及控制措施

2.1 內(nèi)排增高擴(kuò)容穩(wěn)定性

自2021 年開始內(nèi)排土場(chǎng)成為該礦主要排土空間，根據(jù)年度剝離量對(duì)該礦內(nèi)排土場(chǎng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，將內(nèi)排土場(chǎng)按平盤寬度65 m，平盤高度24 m，坡面角33°，整體邊坡角13°，從434 m 水平排棄至674 m水平可滿足2021 年排棄要求，同時(shí)隨著采煤及剝離的推進(jìn)以及內(nèi)排的跟進(jìn)，2022 年以同樣的邊坡參數(shù)進(jìn)行內(nèi)排，亦可滿足2022 年排棄量的要求，2021年及2022 年內(nèi)排增高擴(kuò)容設(shè)計(jì)工程地質(zhì)模型如圖2 及圖3。針對(duì)該礦的整體巖性條件及內(nèi)排土場(chǎng)對(duì)該礦生產(chǎn)的重要程度，此次內(nèi)排土場(chǎng)邊坡安全儲(chǔ)備系數(shù)選取為1.1[6]。2021 年及2022 年內(nèi)排增高擴(kuò)容設(shè)計(jì)邊坡驗(yàn)算結(jié)果如圖4～圖9。

圖2 2021 年內(nèi)排增高設(shè)計(jì)工程地質(zhì)模型

圖3 2022 年內(nèi)排增高設(shè)計(jì)工程地質(zhì)模型

圖4 沿9#煤底板滑動(dòng)邊坡（Fs=1.136）

圖5 沿10#煤底板滑動(dòng)邊坡（Fs=1.156）

圖6 沿底板泥巖內(nèi)部滑動(dòng)邊坡（Fs=1.083）

圖7 沿9#煤底板滑動(dòng)（Fs=1.109）

圖8 沿10#煤底板滑動(dòng)（Fs=1.139）

圖9 沿底板泥巖內(nèi)部滑動(dòng)（Fs=1.087）

通過(guò)對(duì)內(nèi)排增高擴(kuò)容設(shè)計(jì)邊坡穩(wěn)定性驗(yàn)算可知，2021 年內(nèi)排增高擴(kuò)容后沿9#煤底板、10#煤底板及底板泥巖內(nèi)部滑動(dòng)時(shí)，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)Fs 分別為1.136、1.156、1.083，2022 年內(nèi)排增高擴(kuò)容后沿9#煤底板、10#煤底板及底板泥巖內(nèi)部滑動(dòng)的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)Fs 分別為1.109、1.139、1.087，其中2021年及2022 年內(nèi)排增高擴(kuò)容后沿9#煤底板及10#煤底板滑動(dòng)的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)均大于安全儲(chǔ)備系數(shù)1.1 的要求，因此內(nèi)排增高擴(kuò)容后內(nèi)排土場(chǎng)沿9#煤及10#煤底板滑動(dòng)處于穩(wěn)定狀態(tài)，但沿底板泥巖內(nèi)部滑動(dòng)的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)均小于安全儲(chǔ)備系數(shù)，內(nèi)排土場(chǎng)沿底板泥巖內(nèi)部滑動(dòng)處于不穩(wěn)定狀態(tài)，由計(jì)算結(jié)果可知內(nèi)排土場(chǎng)基底基巖巖性較差，巖土物理力學(xué)指標(biāo)較低，在未采取加固手段的前提下直接進(jìn)行增高擴(kuò)容，內(nèi)排土場(chǎng)有滑坡的風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 內(nèi)排增高擴(kuò)容控制措施

由于2021 年及2022 年內(nèi)排增高擴(kuò)容設(shè)計(jì)邊坡沿底板泥巖內(nèi)部滑動(dòng)均達(dá)不到安全儲(chǔ)備系數(shù)要求，因此考慮在內(nèi)排增高擴(kuò)容過(guò)程中采用技術(shù)手段對(duì)內(nèi)排土場(chǎng)進(jìn)行優(yōu)化以提高排土場(chǎng)邊坡的穩(wěn)定性，使設(shè)計(jì)邊坡穩(wěn)定性滿足安全儲(chǔ)備系數(shù)的要求。通過(guò)對(duì)內(nèi)排土場(chǎng)增高擴(kuò)容設(shè)計(jì)邊坡穩(wěn)定性分析發(fā)現(xiàn)，2021 年及2022 年內(nèi)排增高擴(kuò)容設(shè)計(jì)邊坡均從內(nèi)排土場(chǎng)坡腳處剪出，通過(guò)分析得出主要原因是下部原煤由于過(guò)度開采，對(duì)整體邊坡的支撐及壓腳配重作用不足，導(dǎo)致內(nèi)排土場(chǎng)整體邊坡的下滑力大于下部原煤所提供的抗滑力，在坡腳處剪出變形，發(fā)生滑坡。因此在內(nèi)排增高擴(kuò)容過(guò)程中對(duì)下部原煤合理的留存可對(duì)整體邊坡起到支撐及配重壓腳作用，對(duì)內(nèi)排土場(chǎng)增高擴(kuò)容設(shè)計(jì)邊坡控制措施采用預(yù)留一定厚度的臨時(shí)底煤來(lái)提高內(nèi)排土場(chǎng)邊坡的穩(wěn)定性，并在內(nèi)排跟進(jìn)過(guò)程中采用煤巖置換的方式對(duì)內(nèi)排土場(chǎng)下部原煤進(jìn)行開采并迅速進(jìn)行內(nèi)排，在邊坡處于穩(wěn)定的情況下將資源進(jìn)行回收，以提高原煤回收率。

以9#煤底板標(biāo)高為準(zhǔn)，2021 年留臨時(shí)底煤方案如圖10，2021 年留臨時(shí)底煤邊坡穩(wěn)定性（Fs=1.112）如圖11，2022 年留臨時(shí)底煤方案如圖12，2022 年留臨時(shí)底煤邊坡穩(wěn)定性（Fs=1.125）如圖13。

圖10 2021 年留臨時(shí)底煤方案

圖11 2021 年留臨時(shí)底煤邊坡穩(wěn)定性（Fs=1.112）

圖12 2022 年留臨時(shí)底煤方案

圖13 2022 年留臨時(shí)底煤邊坡穩(wěn)定性（Fs=1.125）

由圖10 可知當(dāng)2021 年預(yù)留8 m 厚臨時(shí)底煤，且內(nèi)排土場(chǎng)最下部臺(tái)階從458 m 水平增高至470 m水平，其余內(nèi)排臺(tái)階參數(shù)不變的情況下，此時(shí)沿底板泥巖內(nèi)部滑動(dòng)的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)Fs=1.112，由圖11 可知2021 年內(nèi)排增高設(shè)計(jì)邊坡穩(wěn)定性系數(shù)滿足安全儲(chǔ)備系數(shù)的要求，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)；由圖12可知當(dāng)2022 年預(yù)留10 m 厚臨時(shí)底煤，且內(nèi)排土場(chǎng)最下部臺(tái)階從458 m 水平增高至470 m 水平，其余內(nèi)排臺(tái)階參數(shù)不變的情況下，此時(shí)沿底板泥巖內(nèi)部滑動(dòng)的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)Fs=1.125，由圖13 可知2022 年內(nèi)排增高設(shè)計(jì)邊坡穩(wěn)定性系數(shù)滿足安全儲(chǔ)備系數(shù)的要求，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

3 內(nèi)排增高擴(kuò)容穩(wěn)定性防控措施

1）在后期內(nèi)排增高擴(kuò)容過(guò)程中，應(yīng)在內(nèi)排土場(chǎng)布置GNSS 自動(dòng)化邊坡位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)或使用邊坡雷達(dá)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)內(nèi)排土場(chǎng)整體變形情況[7]。

2）內(nèi)排必須在有監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的情況下進(jìn)行，排土過(guò)程中一旦內(nèi)排土場(chǎng)出現(xiàn)變形加速征兆，立即停止底煤開采，并加快內(nèi)排，保證邊坡穩(wěn)定。

3）通過(guò)分析內(nèi)排土場(chǎng)沿基底內(nèi)部弱層滑動(dòng)的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)較小，因此在后期內(nèi)排增高過(guò)程中，應(yīng)在內(nèi)排土場(chǎng)下部布置地下位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)內(nèi)排土場(chǎng)基底巖層移動(dòng)情況。

4）雨水及地下水對(duì)排土場(chǎng)基底的浸泡會(huì)降低基底泥巖的巖土物理力學(xué)性質(zhì)，對(duì)內(nèi)排土場(chǎng)的穩(wěn)定性產(chǎn)生極大影響，因此應(yīng)在排土之前事先做好內(nèi)排土場(chǎng)的防排水工作[8]。

4 結(jié)語(yǔ)

1）2021 年及2022 年內(nèi)排增高擴(kuò)容設(shè)計(jì)邊坡沿底板泥巖內(nèi)部滑動(dòng)的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)小于安全儲(chǔ)備系數(shù)1.1 的要求，邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)，因此采用預(yù)留臨時(shí)底煤的方式以提高邊坡穩(wěn)定性。

2）通過(guò)計(jì)算可知2021 年預(yù)留8 m 厚臨時(shí)底煤且內(nèi)排土場(chǎng)最下部臺(tái)階從458 m 水平增高至470 m水平，其余臺(tái)階參數(shù)不變，此時(shí)沿底板泥巖內(nèi)部滑動(dòng)的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)滿足安全儲(chǔ)備系數(shù)的要求，2021年內(nèi)排增高設(shè)計(jì)邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)；2022 年預(yù)留10 m 厚臨時(shí)底煤且內(nèi)排土場(chǎng)最下部臺(tái)階從458 m 水平增高至470 m 水平，其余臺(tái)階參數(shù)不變，此時(shí)沿底板泥巖內(nèi)部滑動(dòng)的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)滿足安全儲(chǔ)備系數(shù)的要求，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

3）在后期內(nèi)排跟進(jìn)過(guò)程中采用煤巖置換的方式對(duì)內(nèi)排土場(chǎng)下部原煤進(jìn)行開采并迅速進(jìn)行內(nèi)排，使邊坡處于穩(wěn)定的情況下將資源進(jìn)行回收，以提高原煤回收率。